«Мы обнаружили новый механизм, работающий в наномасштабе, который позволяет нам производить металлы, которые намного прочнее, чем все, что когда-либо делалось раньше, – при этом не теряя при этом никакой электропроводности», – говорит Фредерик Сансос, материаловед и профессор машиностроения в Университет Вермонта, который стал одним из руководителей нового открытия.
Этот фундаментальный прорыв обещает новую категорию материалов, которые могут преодолеть традиционный компромисс в промышленных и коммерческих материалах между прочностью и способностью проводить электрический ток.
Результаты команды опубликованы 23 сентября в журнале Nature Materials.
ПЕРЕСМОТРЕТЬ ДЕФЕКТ
Все металлы имеют дефекты. Часто эти дефекты приводят к нежелательным качествам, таким как хрупкость или размягчение. Это побудило ученых создать различные сплавы или тяжелые смеси материалов, чтобы сделать их более прочными. Но по мере того, как они становятся сильнее, они теряют электропроводность.
«Мы спросили себя, как мы можем изготовить материал с дефектами, но преодолеть размягчение, сохранив при этом электропроводность», – сказал Моррис Ван, ведущий научный сотрудник Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса и соавтор нового исследования.
Подмешав небольшое количество меди в серебро, команда показала, что оно может преобразовать два типа присущих наноразмерных дефектов в мощную внутреннюю структуру. «Это связано с тем, что эти дефекты напрямую привлекают примеси», – объясняет Сансос. Другими словами, команда использовала примесь меди – форму легирования или «микросплава», как ее называют ученые, – чтобы контролировать поведение дефектов в серебре.
Как своего рода джиу-джитсу атомного масштаба, ученые перевернули дефекты в свою пользу, используя их как для усиления металла, так и для поддержания его электропроводности.
Чтобы сделать свое открытие, команда, в которую вошли эксперты из UVM, Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса, лаборатории Эймса, Лос-Аламосской национальной лаборатории и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, начала с фундаментальной идеи материаловедения: размер кристалла или зерна – материала становится меньше, он становится прочнее.
Ученые называют это соотношением Холла-Петча. Этот общий принцип конструкции позволил ученым и инженерам создавать более прочные сплавы и современную керамику на протяжении более 70 лет.
Работает очень хорошо.
Пока это не.
В конце концов, когда частицы металла достигают бесконечно крошечного размера – менее десятков нанометров в ширину – границы между зернами становятся нестабильными и начинают двигаться. Следовательно, в другом известном подходе к упрочнению металлов, таких как серебро, используются наноразмерные «когерентные двойные границы», которые представляют собой особый тип границ зерен. Эти структуры парных атомов, образующие симметричный зеркальный кристаллический интерфейс, чрезвычайно устойчивы к деформации. За исключением того, что эти двойные границы также становятся мягкими, когда их расстояние между ними падает ниже критического размера в несколько нанометров из-за несовершенства.
БЕСПРЕЦЕДЕНТНАЯ НЕДВИЖИМОСТЬ
Грубо говоря, нанокристаллы похожи на кусочки ткани, а нанодвойники похожи на прочные, но крошечные нити в ткани. За исключением того, что они в атомном масштабе.
Новое исследование сочетает в себе оба подхода, чтобы создать то, что ученые называют «нанокристаллическим-нанодвойниковым металлом», который обладает «беспрецедентными механическими и физическими свойствами», пишет команда.
Это потому, что атомы меди, немного меньше, чем атомы серебра, перемещаются в дефекты как на границах зерен, так и на границах двойников. Это позволило команде – используя компьютерное моделирование атомов в качестве отправной точки, а затем перейти к реальным металлам с помощью передовых инструментов в Национальных лабораториях – создать новую сверхпрочную форму серебра. Крошечные примеси меди в серебре препятствуют перемещению дефектов, но это такое небольшое количество металла – менее одного процента от общего количества, – что высокая электропроводность серебра сохраняется. «Примеси атомов меди проходят вдоль каждой границы раздела, а не между ними», – объясняет Сансос. "Чтобы они не мешали электронам, проходящим через."
Этот металл не только преодолевает смягчение, которое ранее наблюдалось, когда зерна и двойниковые границы становились слишком маленькими – так называемый «пробой Холла-Петча» – он даже превышает давний теоретический предел Холла-Петча. Команда сообщает, что «идеальная максимальная прочность» может быть найдена в металлах с двойными границами, расстояние между которыми составляет менее семи нанометров, всего несколько атомов. А термообработанная версия серебра, пропитанного медью, имеет твердость выше теоретического максимума.
«Мы побили мировой рекорд, а также предел Холла-Петча, не один раз, а несколько раз в ходе этого исследования с очень контролируемыми экспериментами», – говорит Сансос.
Сансос уверен, что подход команды к созданию сверхпрочного и все еще проводящего серебра можно применить ко многим другим металлам. «Это новый класс материалов, и мы только начинаем понимать, как они работают», – говорит он. И он ожидает, что фундаментальная наука, раскрытая в новом исследовании, может привести к прогрессу в технологиях – от более эффективных солнечных батарей до более легких самолетов и более безопасных атомных электростанций. «Когда вы можете сделать материал более прочным, вы можете использовать его меньше, и он прослужит дольше, – говорит он, – а электрическая проводимость имеет решающее значение для многих приложений."